一种处理酸性重金属废水的生物炭基滤床装置的制作方法

本实用新型属于污水处理技术领域；尤其涉及一种处理酸性重金属废水的生物炭基滤床装置结构技术领域。

背景技术：

在矿石开采和冶炼过程中，硫化矿在风化、雨水及地表水浸泡、微生物的催化氧化等作用下其所含的金属离子和硫化物溶出形成酸性重金属废水。酸性重金属废水具有重金属离子及硫酸盐浓度高、ph值低、毒性较大、不易生物处理且易于在生物体内积累并随食物链放大等特点。若不对其进行有效处理而直接排放到周边环境中，会对污染源周边生态系统和人类健康造成极大的危害。

生物滤床是一种常见的污水生物处理技术，其系统中的填料、微生物通过物理、化学及生化反应的协同作用去除污染物质。因其具有操作运行灵活简便、成本低、适宜于偏远地区使用、抗冲击负荷能力强等优点，被广泛运用于包括重金属废水在内的各种废水的处理中。其对重金属的去除途径包括基质的吸附过滤截留及微生物的转化、沉淀等作用。

尽管如此，利用生物滤床系统处理酸性重金属废水仍然存在若干待解决的问题。酸性重金属废水中的有机物质含量和酸性很低，这抑制了硫酸盐还原菌的作用，使得系统对硫酸盐和重金属的去除效果不佳。为此，有机物料常被添加至生物滤床中以提高其处理效果，石灰类物质常被添加以中和废水的酸性。然而，这些方法仍存在诸多问题，如废水中的重金属离子及系统运行一段时间后累积的金属沉淀物会对滤床中的微生物产生毒害作用，从而严重影响系统处理效果；添加的石灰类物质也会抑制系统中微生物的生长和繁殖；经处理后的大部分重金属滞留在生物滤床中堵塞污染滤床，使滤床的透水性能降低，且使得重金属无法回收，造成了一定的资源浪费。传统的滤床填料如河沙、碎石等对污染物的吸附性能较差，无法营造适宜于微生物生长的良好微环境，使得滤床系统的处理效能较差，所需占地面积较大。如何缓解酸性重金属废水对滤床生态系统的毒害作用，有效提高生物滤床对酸性重金属废水的处理效果，保证生物滤床系统高效稳定运行并实现对金属资源的回收仍然是一个有待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对上述应用生物滤床系统处理酸性重金属废水过程中存在的问题，提供一种处理酸性重金属废水的生物炭基滤床装置。该装置可以以较小的占地面积实现重金属沉淀和微生物硫酸盐还原作用的分离，提高对酸性重金属废水的处理效率，提升处理装置的可持续运行能力，且可实现重金属的回收利用。

本实用新型采用如下技术方案实现。

一种处理酸性重金属废水的生物炭基滤床装置，本实用新型该装置包括生物滤床处理池；所述的生物滤床处理池设置为一筒体，在生物滤床处理池内设置有重金属反应沉淀区、带孔耐酸有机板、填料层；重金属反应沉淀区设置在生物滤床处理池的底部；带孔耐酸有机板设置在重金属反应沉淀区和填料层之间；填料层由下至上依次设置为砾石填料层、生物炭填料层、有机物料填料层。

进一步为，本实用新型该装置还包括滤床排泥管；所述的滤床排泥管插设在重金属反应沉淀区内与之连接；滤床排泥管上设置有污泥泵。

进一步为，本实用新型该装置还包括调节池，在所述的调节池底部设置有第一出水口，设置有滤床进水管的一端与第一出水口密封连接；生物滤床处理池底部的重金属反应沉淀区侧壁设置有第一进水口，滤床进水管的另一端与第一进水口密封连接；在滤床进水管上连接设置有流量计和流量控制阀。

进一步为，本实用新型所述的调节池底部位置高于生物滤床处理池顶部。

进一步为，本实用新型在所述的调节池上部设置有第二进水口，设置有调节池进水管与第二进水口连接。

进一步为，本实用新型在所述的生物滤床处理池上部设置有第二出水口，该第二出水口设置在有机物料填料层的上方，设置有滤床出水管与第二出水口连接。

进一步为，本实用新型在所述的调节池内壁或生物滤床处理池内壁设置有防渗层；该防渗层为防渗涂料层或防渗膜。

进一步为，本实用新型所述的砾石填料层、生物炭填料层、有机物料填料层体积比为1-4：2-6：2-6。

进一步为，本实用新型所述的砾石填料层、生物炭填料层、有机物料填料层高度分别为10-40cm、20-60cm、20-60cm；砾石填料层中砾石颗粒粒径为10-20mm；生物炭填料层中的生物炭粒径为3-12mm。有机物料为植物秸秆（芦苇秸秆、玉米秸秆、稻杆等）、果壳（杏仁壳、核桃壳等）、树枝等，可以为单一或组合型的有机物料。所述生物炭为中低温生物炭，为植物秸秆如芦苇秸秆或果壳等在缺氧条件下热解制得。底部砾石层可使进水布水更为均匀，防止带孔有机板的堵塞。

废水在调节池内进行水质水量的调节后以一定流速依靠重力从滤床处理池底部进入处理池，废水在滤床中因调节池底部高于生物滤床处理池顶部，形成的压力而缓慢向上移动，由上部出水口排出装置。废水停留时间为24-72小时。生物滤床处理池底部污泥定期通过滤床排泥管排至装置外，排泥频率为每月2-4次，污泥泵运行时间为5-10分钟。滤床采用连续流的方式运行，使得装置长期处于水饱和状态，溶解氧被消耗，滤床处理池整体呈现出厌氧状态，有机物料释放的碳源可作为硫酸盐还原菌生长的能源和电子供体，硫酸盐还原菌将废水中的so4^2-还原为s^2-，重金属与s^2-反应生成金属硫化物沉淀从而使废水中的重金属离子和硫酸盐得以去除。

本实用新型的有益效果为，与现有处理重金属废水的生物滤床装置相比，本实用新型的有益效果体现在：

【1】该生物滤床装置功能区划清晰。生物滤床处理池底部设置重金属反应沉淀区，采用底部进水、上部出水的方式，进水中的重金属与滤床系统中生成的硫离子发生反应形成沉淀累积在滤床系统下部的沉淀区，并定期通过污泥管排至装置外，不仅减轻了重金属对生物滤床系统的毒害作用，增强硫酸盐还原作用，避免大量重金属沉淀物堵塞污染滤床，提高系统对酸性重金属废水的处理效果，保持滤床的透水性能，还可实现重金属的回收利用。

【2】生物滤床装置中添加生物炭作为滤床填料，是一种生物材料，原料来源广泛，环境友好。生物炭释放的碱性物质能很好地中和废水的酸性，有利于微生物的生长和繁殖，且生物炭本身亦是微生物的良好载体，其应用可显著提升硫酸盐还原菌的作用，提高系统处理废水的效果。

【3】在滤床系统填料层上部设置有机物料填料层，有机物料释放的碳源可作为硫酸盐还原菌生长的能源和电子供体，较好地解决了酸性重金属废水碳源缺乏的问题。同时有机物料填料层设置在上层便于其在碳源释放量较小时进行替换。所采用的机物料廉价易得，适合偏远、矿区等地区采用。

【4】一体化的功能分隔式生物滤床处理装置可在延长滤床使用寿命的基础上减少生物滤床系统的占地面积。整个系统建设运行成本低，运行操作简便灵活。

下面结合附图和具体实施方式本实用新型做进一步解释。

附图说明

图1是本实用新型垂直横截面结构示意图；

图中标号：1-调节池进水管；2-调节池；3-滤床进水管；4-生物滤床处理池；5-滤床出水管；6-滤床排泥管；7-重金属反应沉淀区；8-带孔耐酸有机板；9-砾石填料层；10-生物炭填料层；11-有机物料填料层；12-流量控制阀；13-污泥泵；14-流量计。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。需强调的是，本实用新型并不仅限于以下所述实施例。

见图1所示，一种处理酸性重金属废水的生物炭基滤床装置，本实用新型该装置包括生物滤床处理池4；所述的生物滤床处理池4设置为一筒体，在生物滤床处理池4内设置有重金属反应沉淀区7、带孔耐酸有机板8、填料层；重金属反应沉淀区7设置在生物滤床处理池4的底部；带孔耐酸有机板8设置在重金属反应沉淀区7和填料层之间；填料层由下至上依次设置为砾石填料层9、生物炭填料层10、有机物料填料层11。

进一步为，本实用新型该装置还包括滤床排泥管6；所述的滤床排泥管6插设在重金属反应沉淀区7内与之连接；滤床排泥管6上设置有污泥泵13。

进一步为，本实用新型该装置还包括调节池2，在所述的调节池2底部设置有第一出水口，设置有滤床进水管3的一端与第一出水口密封连接；生物滤床处理池4底部的重金属反应沉淀区7侧壁设置有第一进水口，滤床进水管3的另一端与第一进水口密封连接；在滤床进水管3上连接设置有流量计14和流量控制阀12。

滤床采用连续进水，连续出水的方式运行，调节池的出水依靠重力通过进水管由滤床底部进入生物滤床处理池，通过流量控制阀调节进水流速，废水缓慢向上移动，由上部出水管排出装置。废水停留的时间为24-72小时。底部的污泥定期通过排泥管排至装置外，排泥频率为每月2-4次，污泥泵运行时间为5-10分钟，排出的污泥干燥后可用于重金属的回收利用。

进一步为，本实用新型所述的调节池2底部位置高于生物滤床处理池4顶部。

进一步为，本实用新型在所述的调节池2上部设置有第二进水口，设置有调节池进水管1与第二进水口连接。

进一步为，本实用新型在所述的生物滤床处理池4上部设置有第二出水口，该第二出水口设置在有机物料填料层11的上方，设置有滤床出水管5与第二出水口连接。

进一步为，本实用新型在所述的调节池2内壁或生物滤床处理池4内壁设置有防渗层；该防渗层为防渗涂料层或防渗膜。

进一步为，本实用新型所述的砾石填料层9、生物炭填料层10、有机物料填料层11体积比为1-4：2-6：2-6。

进一步为，本实用新型所述的砾石填料层9、生物炭填料层10、有机物料填料层11高度分别为10-40cm、20-60cm、20-60cm；砾石填料层9中砾石颗粒粒径为10-20mm；生物炭填料层10中的生物炭粒径为3-12mm。有机物料为植物秸秆（芦苇秸秆、玉米秸秆、稻杆）等、果壳（杏仁壳、核桃壳等、树枝等），可以为单一或组合型的有机物料。所述生物炭为中低温生物炭，为植物秸秆（如芦苇秸秆或果壳等）在缺氧条件下热解制得。底部砾石层可使进水布水更为均匀，防止带孔有机板的堵塞。

本实用新型实践结果：

【1】一个长15cm，宽15cm，高60cm的生物滤床处理池，池体材质为pvc板，下部设置高为15cm的重金属反应沉淀区，由孔径为2-3mm的穿孔板与上方填料层分隔开。填料层从下往上依次为砾石层，填充高度10cm，砾石粒径10-20mm；上方为生物炭层，填充高度25cm，生物炭为核桃壳生物炭，粒径3-5mm；上方填充有机物料，填充高度20cm，有机物料为核桃壳，粒径3-5mm。

【2】生物滤床采用连续进水，连续出水的方式运行，废水在调节池进行水质水量的调节后依靠重力通过进水管进入滤床处理池，调节进水流速使得废水在24小时后由出水管排出装置。装置每周排泥3次，污泥泵每次运行5分钟；或，装置每月排泥2次，污泥泵每次运行10分钟，排出的污泥干燥后用于重金属的回收利用。

【3】系统进水为酸性矿山排水，其中所含重金属离子有fe²⁺、cu²⁺、cd²⁺、zn²⁺、cr⁶⁺，浓度除fe²⁺为50mg/l外其余均为5mg/l，硫酸盐含量为1000mg/l，ph为4。装置可容纳水量7.5l，水力停留时间为24h。

【4】该滤床系统在30天的稳定运行期内对fe²⁺、cu²⁺、cd²⁺、zn²⁺、cr⁶⁺、so4^2-的平均去除率分别为85%、89%、72%、80%、74%、50%，出水ph值为6-7，滤床透水性能保持良好。对比未添加生物炭和有机物料的另一滤床处理系统，其对相同进水中fe²⁺、cu²⁺、cd²⁺、zn²⁺、cr⁶⁺、so4^2-的平均去除率仅分别为84%、44%、25%、25%、70%、10%。

以上所述的仅是本实用新型的具体实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。